激波作用于密度界面的RM不稳定性数值计算

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激波与液体或气体界面相互作用时会产生不稳定性并加速流体间的相互混合,这种现象称为Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性[1-2]。RM不稳定性在天体物理、惯性约束核聚变(ICF)、惯性聚变能源、水中炸药爆炸、航天火箭发动机中燃料的混合和燃烧、国防尖端武器等方面都有重要的应用价值。开展RM不稳定性的数值模拟工作,是当前国际上不稳定性问题的重要研究手段之一。  本文基于参考文献中的不稳定性实验,对水平激波管中激波与气泡、火焰的相互作用过程进行了数值研究与分析。  本文基于ANSYS中的ICEM和 FLUENT建立了的二维轴对称数值计算模型。参考实验参数,对直径为3mm的He与 SF6气泡和火焰在马赫数为1.2、1.5及2.0的激波作用下的演化过程进行了数值计算。给出了激波诱导气泡及火焰变形与发展过程,并与相关的实验结果进行比较,得到了变形与发展过程中形成的特殊结构,如涡、射流、尖钉、蘑菇云等结构,也得到了流场变化云图,并且分析了这些特殊结构及流场变化对RM不稳定性发展的影响,发现不同马赫数会通过影响特殊结构的形成以及流场的变化而影响不稳定性发展。  得出结论:对于He气泡,小马赫数激波诱导气泡的变形较慢,并且尾部会形成尖钉结构,不稳定性发展的后期 He含量主要聚集在气泡的头部与尾部;而大马赫数激波诱导界面变形较快,尾部没有形成尖钉结构,He含量主要聚集在气泡的中间;对于SF6气泡,大马赫数激波诱导界面变形较快,而产生的射流结构较短,对不稳定性的发展影响较小,而尖钉结构对不稳定性的发展影响较大,小马赫数激波诱导界面变形较慢,产生的射流结构与尖钉结构对不稳定性的发展都有较大影响。对于火焰,在不稳定性发展的前期,激波马赫数越大激波诱导的化学反应也会越快,反过来化学反应释放的热量也会加速激波运动,但三组不同马赫数诱导的化学反应对火焰变形影响远远小于激波对火焰变形的影响,在中后期,马赫数越大,化学反应对火焰变形的影响越大,当马赫数大于一定的值时,化学反应对火焰变形的影响就会超过激波,使得整个火焰体积不断变大。
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